Espectroscopia Infrarroja [IR]


1.- ¿Qué es la espectroscopia infrarroja [IR]?
Esta espectroscopia se fundamenta en la absorción de la radiación IR por las moléculas en vibración. Una molécula absorberá la energía de un haz de luz infrarroja cuando dicha energía incidente sea igual a la necesaria para que se de una transición vibracional de la molécula. Es decir, la molécula comienza a vibrar de una determinada manera gracias a la energía que se le suministra mediante luz infrarroja.Pueden distinguirse dos categorías básicas de vibraciones: de tensión y de flexión. Las vibraciones de tensión son cambios en la distancia interatómica a lo largo del eje del enlace entre dos átomos. Las vibraciones de flexión están originadas por cambios en el ángulo que forman dos enlaces. En la siguiente figura se representan los diferentes tipos de vibraciones moleculares.
En principio, cada molécula presenta un espectro IR característico (huella dactilar), debido a que todas las moléculas (excepto las especies diatómicas homonucleares como O2 y Br2) tienen algunas vibraciones que, al activarse, provocan la absorción de una determinada longitud de onda en la zona del espectro electromagnético correspondiente al infrarrojo.
De esta forma, analizando cuales son las longitudes de onda que absorbe una sustancia en la zona del infrarrojo, podemos obtener información acerca de las moléculas que componen dicha sustancia.

2.- ¿Qué información nos da la IR?
La espectroscopia infrarroja tiene su aplicación más inmediata en el análisis cualitativo: detección de las moléculas presentes en el material.
En la zona del espectro electromagnético IR con longitudes de onda del infrarrojo medio (entre 4000 y 1300 cm-1) se suelen observar una serie de bandas de absorción provocadas por las vibraciones entre únicamente dos átomos de la molécula. Estas vibraciones derivan de grupos que contienen hidrógeno o de grupos con dobles o triples enlaces aislados.
En la zona del espectro electromagnético IR con longitudes de onda comprendidas entre 1300 y 400 cm-1 (infrarrojo lejano), la asignación de las bandas de absorción a vibraciones moleculares es más difícil de realizar, debido a que cada una de ellas está generada por absorciones individuales sumadas (multiplicidad de las bandas). Es la denominada zona de la huella dactilar (flexión de enlaces CH, CO, CN, CC, etc..). En esta zona de longitudes de onda, pequeñas diferencias en la estructura y constitución de las moléculas dan lugar a variaciones importantes en los máximos de absorción.
En las tablas que visualizarás pinchando aquí encontrarás las bandas de absorción correspondientes a las moléculas orgánicas e inorgánicas más frecuentes.
3.- Asignación de las bandas observadas de un espectro IR a las vibraciones moleculares
Consideremos que se ha sintetizado en el laboratorio un compuesto inorgánico-orgánico a partir de los siguientes componentes:
  • Anhídrido arsénico trihidratado: As2O5·3H2O
  • Sulfato de hierro (III) pentahidratado: Fe2(SO4)3·5H2O
  • Cloruro de manganeso tetrahidratado: MnCl2·4H2O
  • Ácido fluorhídrico: HF
  • La molécula orgánica 1,3 diaminopropano: C3N2H12
Con esta síntesis lo que se pretende es obtener un arseniato de hierro y manganeso que contenga además la citada molécula orgánica. Para comprobar que el compuesto obtenido es el que buscamos, realizamos un espectro infrarrojo. En éste se deben observar las bandas de absorción de los enlaces As-O correspondientes al grupo arseniato (AsO4) y las de los enlaces N-H, C-H y C-N de la molécula orgánica. Además, en caso de que el compuesto contenga agua en la estructura, se observarán bandas de absorción del enlace O-H de la misma.
Grupo arseniato AsO4
Las esferas azules representan los átomos de oxígeno
Molécula orgánica 1,3 diaminopropano: C3N2H12.
Las esferas grandes representan átomos de carbono (grises) o de nitrógeno (azules).
En la siguiente tabla se muestra el intervalo de frecuencia de las bandas que se espera aparezcan en el caso de que la síntesis haya tenido éxito.
Intervalo de frecuencia (cm-1)
Enlace
Tipo de vibración
3600-3200
O-H
Tensión
3500-3200
N-H
Tensión
3000-2800
C-H
Tensión
1600-1700
O-H
Flexión
1640-1550
N-H
Flexión
1400-1200
C-H
Flexión
1350-1000
C-N
Flexión
900-800
As-O
Tensión (simétrica)
700-750
As-O
Tensión (antisimétrica)
500-400
As-O
Flexión
El espectro de infrarrojo del compuesto se representa a continuación. En él se observan una serie de bandas de absorción (mínimos de transmisión o transmitancia) que se encuentran numerados del 1 al 10.

Espectro de IR del compuesto. La escala de las longitudes de onda es logarítmica.
Comparando la posición de las bandas de absorción observadas en el espectro con la tabla de bandas esperadas, se puede realizar la asignación y comprobar los grupos moleculares presentes en nuestro compuesto:
Número
Frecuencia (cm-1)
Enlace
Tipo de vibración
1
3450
O-H
Tensión
2
3170
N-H
Tensión
3
2950
C-H
Tensión
4
1610
O-H
Flexión
5
1535
N-H
Flexión
6
1420, 1295, 1200
C-H
Flexión
7
1085
C-N
Flexión
8
820
As-O
Tensión (simétrica)
9
760
As-O
Tensión (antisimétrica)
10
470
As-O
Flexión
Como vemos, mediante la utilización de esta técnica podemos confirmar que el producto de la síntesis es el esperado, un arseniato que contiene la molécula orgánica, en este caso 1,3 diaminopropano.
4.- Para saber más ...

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